سیستم همبندی ارت چگونه است؟

سیستم همبندی ارت چگونه است؟ اصول حفاظت در برابر برق گرفتگی یا امر مهم در سیستم ارتینگ محسوب می شود. انرژی الکتریکی به عنوان یک انرژی پاک، قابل دسترس خیلی راحت تر از سایر انرژی ها انتقال می یابد. ولی همواره یکی از نگرانی های ذهنی در هنگام استفاده از آن، برق گرفتگی است.

اگر بخواهیم دنیای برق را خیلی مختصر و مفید بیان کنیم همان مدار ساده چراغ قوه است. یک منبع (باتری) و سیم هایی برای ارتباط با مصرف کننده (لامپ) و خود مصرف کننده در همین دنیای ساده وقتی ولتاژ از حد یک باتری بسیار بالاتر رود بحث حفاظت پیش می آید که کار را بسیار گسترده و پیچیده می کند.

برای تامین حفاظت دو دسته اصلی از تجهیزات مطرح اند: یکی کلیدها، فیوزها و امثال آن، و دیگری الکترود زمین سیم حفاظتی (PE) و ملحقات آن.

تصور برخی مردم بر این است که برای برق گرفتگی انسان باید جریان های قابل توجهی از بدن وی عبور کند ولی حقیقت آن است که انسان در مقابل جریان های بسیار ضعیف برق در حد چند دهم آمپر کاملاً آسیب پذیر است یک چهارم جریانی که توسط یک لامپ رشته ای ۱۰۰ وات مصرف می شود

برای مرگ سوختگی شدید صدمه دیدن اعصاب و فلج شدن انسان کافی است.

انواع روشهای پرکاربرد حفاظت انسان در تاسیسات الکتریکی

برای کاهش امکان برق گرفتگی افراد از سیستم های ایمنی استفاده می شود. سیستم های ایمنی

بسیار متنوع اند و متداول ترین آن ها عبارتند از:

(الف) حفاظت توسط سیم حفاظتی (PE)

ب) حفاظت توسط عایق کاری مضاعف (کلاس) (II) 

پ) حفاظت توسط ولتاژ کم (SELV)

ت) حفاظت توسط ترانسفورماتور ایزوله

ث) حفاظت توسط کلید جریان نشتی(RCD)   

تعاریف سیستم همبندی ارت

1. زمین کردن: یک اتصال هادی عمدی یا سهوی بین یک مدار الکتریکی یا یک دستگاه الکتریکی است به زمین یا بدنه هادی ای که روی زمین قرار دارد.
2. جرم کلی زمین: حجم هادی کره زمین است که پتانسیل الکتریکی آن در تمام نقاط بنا به قرارداد صفر فرض می شود در برخی کشورها واژه Earth و در برخی دیگر Ground استفاده می شود.
3. همبندی: به اتصال دائمی بخش های فلزی گفته می شود که با هدف ایجاد مسیر هادی انجام می گردد و با این کار ایمنی لازم در لمس همزمان قسمت های مختلف حاصل می شود.
4. ولتاژ گام: اختلاف پتانسیل بین پاهای یک فرد است که به دلیل اختلاف گرادیان ولتاژ حاصل از ورود جریان اتصال کوتاه به زمین حادث می شود.
5.  ولتاژ تماس: ولتاژ تماسی مشابه با ولتاژ گامی است با این تفاوت که جریان از دست فرد وارد شده و از پای او خارج می شود.

 سه دلیل برای لزوم ایجاد سیستم زمین وجود دارد:

1. تامین ایمنی افراد (دلیل اصلی)
2. حفاظت از تجهیزات و تاسیسات در برابر تماس ناخواسته با قسمت های برق دار
3. تامین حداکثر ایمنی ممکن در برابر اتصال های سیستم الکتریکی و صاعقه

این اصلی اساسی است که الکتریسیته همواره به سمت نقطه دارای پتانسیل کمتر جریان می یابد. انتظار داریم جریان الکتریسیته ناشی از اتصال کوتاه ها، صاعقه و نویز الکتریکی با حفظ ایمنی به گونه ای به نقاط مورد نظر هدایت شود، که عملکرد مطمئن دستگاه ها تضمین گردد. بنابراین باید از جریان یافتن ایمن و کنترل شده جریان های مذکور به زمین (احتمالاً در حضور یک اختلاف پتانسیل کوچک)، اطمینان حاصل کرد.

• عوامل موثر بر مقاومت مخصوص خاک

مقاومت الکتریکی ،خاک می تواند مقاومت سیستم زمین را کاملاً تحت تاثیر قرار دهد. عوامل متعددی چون ترکیب شیمیایی رطوبت و بافت خاک و نیز مواد اضافه شده به آن روی مقدار مقاومت مخصوصش موثرند.

مواد سازنده یا ترکیبات خاک ها بسیار متنوع هستند خاک های تیره رنگ یا خاک هایی که حاوی مواد ارگانیک زیادی هستند اغلب هدایت الکتریکی مطلوبی دارند زیرا مقدار رطوبت و الکترولیت ها در آن ها قابل توجه است در مقابل خاک های شنی که قابلیت حفظ نم طبیعی را ندارند، دارای مقدار رطوبت و الکترولیت بسیار کمتری بوده و لذا امپدانس بالایی دارند زمین های صخره ای یا متشکل از گدازه های آتشفشانی فاقد رطوبت و الکترولیت اند و لذا مقاومتشان بسیار بسیار زیاد است.

خاک اغلب از تعدادی لایه یا طبقه تشکیل می شود این طبقه ها می توانند مقادیر متفاوتی از مقاومت مخصوص را داشته باشند با اندازه گیری مقاومت مخصوص در عمق های مختلف میتوان پروفایلی از آن رسم کرده و بدین واسطه بهترین طرح را برای الکترود زمین انتخاب نمود.

۱- رطوبت: رطوبت  بیشترین نقش را در مقاومت مخصوص خاک، دارد زیرا به مواد شیمیایی موجود در خاک اطراف الکترود کمک می کند تا جریان الکتریکی را حمل کنند. در کل هر چه رطوبت بیشتر باشد مقاومت مخصوص کمتر است. رطوبت تحت تاثیر شرایط آب و هوایی محل و اجزای الکترولیت ها مانند مواد معدنی یونیزاسیون خاک دانه بندی و تراکم آن است در سیستم های زمینی که برای مناطق دارای خاک های بسیار خشک و لم يزرع طراحی می شوند ممکن است لازم باشد از مواد کاهش دهنده مقاومت مخصوص خاک استفاده شود.

۲- دما: دمای بالا و خشکسالی یا دمای خیلی پایین که منجر به یخ زدگی شود می تواند در برخی ماه های سال مقاومت مخصوص را بسیار بیشتر از برخی ماه های دیگر نماید وقتی آب به یخ تبدیل گردد مقاومت مخصوص به شدت بالا می رود مناطقی که بارندگی متعادلی داشته و یخ زدگی روی خاک ندارند، نسبت به مناطق خشک و لم یزرع یا با لایه یخ دائمی دارای مقاومت مخصوص نازلی هستند. در مناطق دارای احتمال یخ زدگی معمولاً تلاش می شود با استفاده از میله هایی که به اعماق پایین تر(زیر سطح یخ زده می رسند، مقاومت پایین حاصل گردد).

• اجزاء حیاتی سیستم زمین

کارآیی سیستم زمین براساس کیفیت اجزائی از آن که ذیلاً تشریح می گردند و همگی اهمیت یکسانی دارند سنجیده می شود:

1. الکترودهای زمین که اغلب از جنس مس یا فولاد مس پوش هستند باید دارای سطح تماس به قدر کافی بزرگ باشند تا در خلال عبور ماکزیمم زمان قطع اتصالی مجاز در برابر ماکزیمم جریان اتصال کوتاه ممکن دوام بیاورند.
2. اتصالات سیستم زمین که اغلب از آن ها غفلت می شود نقش بسیار مهمی بر عهده دارند. اتصالات انجام شده با جوش اگزوترمیک (Cadweld) این حسن را دارند که نه باز می شوند و نه دچار خوردگی می گردند. البته ارتباطات مکانیکی مانند پیچ و مهره ،کابلشو کلمپ ها هم از حیث حفظ پیوستگی اجزاء سیستم زمین می توانند به کار روند استاندارد 837 IEEE Std اطلاعات تفصیلی در مورد اتصالات مطلوب برای سیستم زمین را بیان کرده است.  الکترود زمین که وظیفه ایجاد ارتباط فیزیکی با کره زمین و انتشار جریان در آن را بر عهده دارد به دو صورت می تواند وجود داشته باشد.

الکترودهای طبیعی در ساختمان ها می تواند شامل موارد زیر باشد:

• لوله های فلزی آب مدفون
• اسکلت های فلزی ساختمان به شرط ارتباط موثر با زمین
• میلگردهای داخل بتون شالوده ساختمان

الکترودهای مصنوعی به طور تعمدی و اختصاصی برای استفاده در سیستم زمین نصب می شوند و ممکن است شامل هادی های تسمه ای و سیمی مسی میله یا لوله های فولادی و مانند آن ها باشند. الکترود میله ای متداولترین نوع در دنیاست.

• مقاومت الکترود نسبت به جرم کلی زمین یا به (اختصار مقاومت الکترود)، تحت الشعاع سطح

الکترود و طول آن قرار دارد البته پارامتری مثل قطر الکترود میله ای اگر دو برابر هم بشود تنها ۱۰ مقاومت را کاهش خواهد داد و لذا افزودن قطر با هدف کاهش مقاومت، صرفه اقتصادی ندارد. در حالی که ۲ برابر کردن طول میله به لحاظ تئوری چیزی حدود ۴۰ مقاومت را کاهش میدهد. متداول ترین آرایش برای دستیابی به مقاومت مطلوب استفاده از الکترودهای میله ای متعدد موازی در عمق مناسب است.

• مقاومت مخصوص خاک که بر حسب Ω یا  Ω.cm اندازه گیری می شود نقشی مهم در کارایی عمومی سیستم زمین بر عهده داشته و باید پیش از طراحی سیستم مقدار آن تعیین شود. اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک این امکان را به مهندس طراح می دهد که بهترین عمق و مناسب ترین محل را برای قرار دادن الکترود در درون زمین تشخیص دهد.

سیستم های زمین در قسمت اعظمی از طول عمرشان حامل جریان های کوچک یا حتی صفر هستند تا این که اتصال کوتاه یا صاعقه ای رخ دهد که متضمن عبور جریان های بزرگ باشد در آن شرایط تجهیزات و اجزاء سیستم زمین باید مانند روز اول نصب وظیفه شان را انجام دهند. اغلب سیستم های زمین به گونه ای احداث می شوند که پس از اتمام مراحل نصب دیگر امکان بازرسی و کنترل اجزاء آن ها بسیار مشکل یا غیر ممکن است. از آن جا که زمین نیز محیطی نامساعد و پر آسیب است، انتخاب صحیح تجهیزات در هنگام نصب بهترین و گاهی تنها راه برای اطمینان از صحت کار بلند مدت یک سیستم زمین خواهد بود.

– انواع روشهای اتصال به زمین

در استانداری های معتبر ۳ روش برای اتصال سیستم ها و مصرف کنندگان به زمین معرفی شده اند

که با حروف مخفف به شرح زیر معرفی میشوند

 در ایران سیستم زمین در قبل و بعد از نقطه تحویل متفاوت است: – طبق استاندارد وزارت نیرو (بند (۳۰۵) باید سیستم شبکه فشار ضعیف عمومی TN باشد.

 – طبق پیوست ۱ مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان در سیستم برق داخلی مصرف کنندگان استفاده از سیستم TN-S و گاهی TN-C-S مجاز است.

در کاهش مقاومت مخصوص خاک ۴ عامل نقش دارند

۱- رطوبت

اثر رطوبت کمتر از ۱۰ درصد تا بالای ۲۰ درصد بسیار بسیار متفاوت است. مثلاً برای خاکی که با رطوبت ۱۰٪ مقاومت مخصوصش .۳۰۰ است با رطوبت %۲۰ ممکن است به ۲۰ برسد رطوبت های بالاتر از ۲۰ نقش چندانی در کاهش مقاومت ندارند.

۲- دما

هم مقادیر کم دما نامطلوب است و هم مقادیر زیاد آن زیرا در دماهای زیر صفر خاک یخ می بندد و خاصیت الکتریکی آن به دلیل عدم تحرک یون ها کاهش می یابد در دماهای زیاد نیز رطوبت موجود در خاک تبخیر می شود و چنانچه گفته شد مقاومت آن زیاد می شود دمای ایده آل خاک بین ۱۰ تا 20 درجه است.

3- املاح

وظیفه انتقال جریان الکتریکی در خاک بر عهده املاح حاصل از نمک های محلول است. اگر خاکی فاقد این املاح باشد به لحاظ الکتریکی ضعیف است. گاهی با افزودن مواد مناسبی می توان این خاصیت خاک را بهبود داد.

۴ دانه بندی و فشردگی

هر چند دانه های خاک ریزتر باشند سطح تماس آن ها بیشتر و هدایت الکتریکی بهتر است. خاک های ماسه ای و شنی به همین دلیل وضع خوبی ندارند حتی در خاک ریزدانه ای که فشردگی لازم در آن وجود نداشته و بین دانه ها هوا موجود می باشد، مقاومت مخصوص بالا است. لذا استفاده از خاک بکر برای نصب الکترود اهمیت زیادی دارد و کندن چاه و پرکردن آن پس از نصب الکترود، چون این خاصیت را از بین میبرد خیلی کار مطلوبی نیست.

– انتظارات از یک اتصال زمین خوب چیست؟

-۱ مقاومت آن تا حد ممکن پایین باشد.

-۲ استحکام مکانیکی کافی داشته باشد.

3 تغییر وضعیت محیط مثل دمای خاک و رطوبت روی آن کم اثر باشد.

۴ بر فلزات مدفون محیط اثر خورندگی نگذاشته از آن ها تاثیر نپذیرد.

۵ جریان های زیاد حاصل از اتصال کوتاه را بتواند مکرراً و بدون آسیب دیدگی تحمل کند.

۶- در برابر خوردگی مقاوم باشد و بتواند مدتی طولانی (مثلاً ۳۰ سال) کار کند.